到20世紀中葉，電力已然在人們的生活中發揮著重要作用。愛迪生發明的電燈通過照亮街道、工廠和住宅，提高了生產力、生活質量和安全性;通過高效電機實現的制冷，改變了家庭中易腐食品的儲存方式，同時在從農場運送到市場的過程中能夠實現對其的低溫保存。在雙極晶體管發明之后，用電子開關代替這些應用的機械致動器成為可能。對于在高功率水平下運行的應用，理想的電子開關必須具有以下特性：(a)高壓阻斷能力;(b) 低導通狀態電壓降以減少傳導損耗;(c) 電壓和電流的快速切換能力，以將切換損耗最小化;(d) 在開關瞬態期間耐受，同時具有施加高電壓和高電流的能力;(e) 使用具有低驅動電流的小電壓控制電流，以允許驅動電子器件的集成;(f)驅動電壓控制下的電流飽和，以滿足緩沖元件的需要。此外，理想的功率晶體管應該能夠在第一象限和第三象限中對稱工作。在過去的60年中，技術的創新與發展創造了滿足這些要求的功率晶體管。

本文重點介紹了自20世紀60年代以來出現的重要功率晶體管創新，這些創新使得數字功率控制(脈寬調制)取代模擬功率控制(相位控制)成為可能。這些創新最初需要改變硅基晶體管的器件結構和物理特性。隨后，通過用寬帶隙半導體材料代替硅，實現了更明顯的性能增強。

功率雙極晶體管架構(圖1左側)與信號晶體管不同，它需要支持高電壓和控制功率應用中所需的高電流。功率晶體管需要垂直結構，其中一個高電流端子(集電極)位于芯片底部，另一個高電壓端子(發射極)在頂部。基極端子必須與發射極交叉，由于發射極擁擠效應，通態電流集中在發射極邊緣。需要具有低摻雜濃度的厚漂移區來支持高電壓，盡管有一些電導率調制，但仍存在大的導通電阻。最重要的是，為了避免通過有限的擊穿到達，大的基極寬度是必要的，這也會導致低電流增益(通常在導通狀態下小于10)。在關斷期間需要較大的反向基極驅動電流，以縮短存儲時間，導致電流增益僅為2。因此需要體積龐大且復雜的基極驅動電路，這會產生可靠性問題。功率雙極晶體管的安全工作區域也很差，需要增加緩沖元件。

達林頓功率雙極晶體管(圖1右側)能夠改善低通態電流增益的問題。它利用基極驅動晶體管T1向輸出晶體管T2提供驅動電流，如圖1中的等效電路所示。這種方法允許在導通狀態下增加電流增益，但關斷增益仍然很差。更重要的是，由于晶體管T1的電流流經晶體管T2的基極-發射極結，達林頓功率晶體管具有類似二極管的導通狀態特性。這使得其導通狀態壓降比單個雙極晶體管大得多。

圖1.功率雙極晶體管的發展。

圖2.功率金屬氧化物半導體場效應晶體管的發展。

20世紀70年代，CMOS技術在集成電路中的應用使得制造功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)成為可能。雙擴散或D型MOSFET(圖2左側)最初由幾家公司(International Rectifier，Siliconix)商業化。它的溝道長度由P基極和N+源極區的擴散深度差決定，允許在5μm光刻工藝的情況下實現短溝道長度(1至1.5μm)。該器件還具有垂直結構，其包含具有低摻雜濃度的厚漂移區以支持高電壓，它為具有高阻斷電壓的器件增加了大量的導通電阻。當向柵極施加正柵極驅動電壓以在P基極區域的表面處誘導反轉層以產生溝道時，就會發生導通狀態電流流動。對于具有低阻斷電壓(<100V)的器件，溝道和JFET區域的電阻基本上貢獻了總導通電阻。當阻斷電壓小于100V時，該器件就會表現出理想電子開關的大部分期望特性。

為了實現更低的導通電阻，業界在20世紀90年代引入了功率U-MOSFET(圖2右圖)(Siliconix)。該結構消除了JFET區域電阻，從而允許增加溝道密度。對于額定電壓為30 V的器件，U-MOSFET將導通電阻降低了3倍。然而，器件的輸入電容(圖2中等效電路中的CGS)增加，大大降低了開關速度。然而，整體性能的提高使這種結構設計在20世紀90年代占據主導地位。

隨著20世紀90年代二維電荷耦合概念的提出，硅功率MOSFET的性能提高方面取得了重大突破。第一種方法是在深槽內使用源電極來產生所需的2D電荷耦合。漂移區中具有線性梯度摻雜分布的GD-MOSFET(圖3左側)能夠極大地改善漂移區中的電場分布，允許將其摻雜濃度增加到遠高于(>10倍)圖2所示的設計。這種方法將漂移區電阻降低到遠低于先前認為的硅材料理想導通電阻的極限。該器件結構現在通常被稱為分裂柵MOSFET(因為它只包含一個柵電極，所以用詞不當)，其阻斷電壓高達150 V，已成為領先的功率器件公司(Alpha和Omega，Infineon)制造的最受歡迎的產品，廣泛用于為臺式機和筆記本電腦中的微處理器和圖形芯片的電源系統。

圖3.功率金屬氧化物半導體場效應晶體管的發展。

第二種方法(Lorenz，Infineon，ISPSD 1999)利用通過添加與N型漂移區并聯操作的深P型漂移區而產生的垂直結來實現2D電荷耦合。這種器件設計(圖3右側)通常被稱為超結(SJ)MOSFET，已成為制造阻斷電壓為600–900 V的產品的主流方法。這些器件用于開關損耗占主導地位的電機驅動應用，目前許多公司都提供此類產品(英飛凌，意法半導體)。

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)于20世紀80年代初發明、開發并商業化。器件結構(圖4左側)可以設計為在第一象限和第三象限(對稱IGBT)的結J1和J2處阻斷電壓，或者僅在第一象限(不對稱IGBT)阻斷電壓。IGBT通過使用正柵極偏置創建MOS溝道來工作，該偏置將基極驅動電流輸送到內部寬基極P-N-P雙極晶體管。在同一漂移區內，通過溝道使用電子和通過P-N-P晶體管使用空穴產生集電極電流，稱為MOS雙極電流傳輸。該器件可以通過將柵極電壓降低到零來關閉電子供應。

由于采用了寬基極P-N-P晶體管，而不是當時用于功率晶體管的窄基極N-P-N晶體管，因此所提出的IGBT設計是一個具有革命性的改變。懷疑論者認為，這將嚴重限制電流，使該器件不如功率雙極晶體管。我的分析基于N基區(N漂移區)內的高電平注入，預測了即使在高電流密度下也具有低導通狀態壓降的P-i-N整流器式導通狀態特性。幸運的是，在制造和測試實際設備時，這種分析被證明是正確的。

IGBT的一個主要障礙是內部4層晶閘管的潛在閉鎖，這可能會導致破壞性故障。使用添加到基本雙擴散MOSFET工藝中的深P+區域(圖4左圖)能夠解決這個問題。當時人們認為IGBT僅適用于低工作頻率，因此限制了其應用，因為當時控制少數載流子壽命的方法會損壞MOS柵極結構。幸運的是，我發現了一種工藝，該工藝允許使用高能電子輻照來縮短漂移區的壽命，然后進行低溫退火工藝，以去除柵極氧化物中的損壞。這對于創建能夠在大范圍的交換速度下運行的IGBT至關重要(BaligaIEEE EDL，1983)，從而在GE內部開辟了廣泛的應用領域。

圖4.絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的發展。

根據我在1980年11月的演講，我預測了IGBT在通用電氣公司電機驅動、照明、電器和醫療部門的廣泛影響，董事長杰克·韋爾奇(Jack Welch)批準全力支持我的IGBT開發和商業化。基于這種支持，我能夠在不到10個月的時間內直接在功率MOSFET生產線上設計和制造IGBT。由于公司的嚴格審查，這必須在芯片設計和工藝定義過程中毫無瑕疵地完成，以確保首次實驗成功。這是使IGBT大量用于GE制造第一臺熱泵用可調速電機驅動器和新型燈具的關鍵一步，這些燈具是20世紀90年代商業化的緊湊型熒光燈的先驅。由于IGBT對通用電氣應用的價值，杰克·韋爾奇禁止發布任何有關IGBT的信息。1983年6月，半導體產品部宣布推出IGBT產品D94F4，最終打破了這一禁令。通用電氣公司推動了該產品的應用，并獲得了“年度產品”獎。從1983年到1985年，通用電氣發布了我關于IGBT屬性的文章，從1985年開始，日本的許多公司(東芝、三菱電機、富士電機)開發并推出了此類產品。

20世紀90年代，歐洲(ABB、西門子)也進行了IGBT創新。P+發射極區區域被晶圓底部具有低摻雜濃度的薄P擴散代替，以降低注入效率。研究發現，這可以減少替換電力機車驅動應用中的柵極關斷(GTO)晶閘管所需的極高電壓(>4kV)器件的開關損耗。這項技術在歐洲和日本得到迅速優化，廣泛應用于城市和長途公共交通。

通過采用溝槽柵極結構，改善了IGBT的導通狀態、壓降和開關速度之間的平衡。溝槽柵極設計(圖4右側)增加了溝道密度，為內部雙極晶體管提供了更多的驅動電流，以減少導通電壓降。另一個被證明可以提高高壓IGBT器件性能的設計創新是具有窄P基極區域的深溝槽結構(圖5)。這種方法增強了漂移區的電導率調制，從而產生較低的導通狀態電壓降。

在過去40年中，IGBT在各種應用中變得非常流行，它被廣泛應用于各個領域，例如交通、照明、消費者、工業、醫療等，以提高全世界數十億人的生活質量。1990-2020年，汽油動力汽車和卡車使用IGBT的電子點火系統的創建使汽油消耗量減少了1.8萬億加侖。1990-2020年間，使用IGBT的可調速電機驅動器的開發使電力消耗量減少73000太瓦時。使用IGBT電子鎮流器的200億盞緊湊型熒光燈的部署在1990年至2020年期間減少了5.99萬太瓦時的電力消耗。IGBT的這些應用為消費者節省了33.6萬億美元，同時在1990年到2020年間減少了181萬億英鎊的二氧化碳排放，以緩解全球變暖。

圖5.絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的發展。

所有太陽能和風力發電都依賴于使用IGBT將能量轉換為可輸送到電網的穩定的50或60 Hz交流電。此外，IGBT用于驅動所有電動汽車中的電機的逆變器。因此，它將在消除發電和運輸部門的化石燃料以應對氣候變化方面發揮重要作用。

用寬帶隙半導體代替硅的影響首先通過推導將垂直單極功率器件中的漂移區電阻與基本材料特性相關的方程而得到認識，現在通常稱為Baliga's Figure of Merit或BFOM。該方程預測使用砷化鎵的電阻會降低13.7倍，使用碳化硅(SiC)的電阻會降低100倍以上。20世紀90年代，6H SiC晶片問世后，通過制造400 V肖特基整流器以及隨后的第一個高性能SiC功率MOSFET，驗證了該理論。這需要改變功率MOSFET結構以(a)屏蔽P基極區域以防止穿透擊穿;(b) 保護柵極氧化物免受高電場的影響;以及(c)采用累積溝道來增加溝道遷移率。目前市面上可買到的4H-SiC平面柵MOSFET結構采用帶積累或反轉通道的屏蔽結構(圖6)。

用于硅功率MOSFET的D-MOSFET工藝不能用于SiC器件，因為即使在導致升華的非常高的溫度下，摻雜劑在該材料中的擴散也微不足道。因此，通道是由用于形成P基和N+源區的P型和N型摻雜劑的交錯離子注入形成的。這需要高分辨率光刻，以產生在功率MOSFET中實現低導通狀態電阻所需的亞微米溝道長度，該技術廣泛用于商用SiC平面柵功率MOSFET。

圖6.平面柵碳化硅功率MOSFET的發展。

通過用SiC功率MOSFET替換硅IGBT，電機驅動器中開關功率損耗有效減少。然而，目前SiC功率MOSFET的成本是同等額定硅IGBT的3倍多，阻礙了其商業可行性。為克服該技術的較高成本，業界采取的策略是以高得多的頻率操作電力電子設備，以降低無源元件(如電感器和濾波器)的成本，從而降低總體成本。SiC功率MOSFET在較高頻率下的操作需要設計創新，以減少開關期間的漏極電流和電壓瞬變時間。通過減少柵極-漏極電荷，可以在SiC功率MOSFET中實現開關期間更快的漏極電壓瞬變時間。

實現這一點的一種創新設計(圖7左側)采用了JFET區域內的中央植入P+區域。需要額外的工藝步驟來添加P+區，并且必須將其連接到與橫截面正交的源電極。第二種創新方法(圖7中間)是分裂柵器件設計，其中柵極的寬度在JFET區域上縮短。這種設計將柵極-漏極電荷減少了2.4倍，而無需任何額外的工藝步驟。第三種創新設計方法，其中P+屏蔽區的邊緣延伸到分離柵電極的邊緣之外。這種設計將柵極-漏極電荷減少了6倍，但需要額外的工藝步驟以包括第二JFET區域。

圖7.平面柵碳化硅功率MOSFET的發展。

在使用硅IGBT的H橋拓撲的典型電壓源逆變器中，有必要連接一個反并聯二極管，以運行電機的可調速驅動器。原則上，由于電流流經P-N二極管，SiC功率MOSFET不需要反并聯二極管。然而，已經發現這種方法在升溫條件下，由于雙極二極管反向恢復現象會導致高的開關功率損失。此外，發現了SiC功率MOSFET的雙極退化現象，其中由于P-N二極管雙極電流在漂移區中產生缺陷。分立結勢壘控制的肖特基(JBS)二極管可以連接在SiC功率MOSFET兩端，以防止電流流過體二極管。這增加了另一個具有顯著SiC芯片面積和成本的封裝組件。如圖8所示的創新設計將JBS二極管集成到SiC功率MOSFET單元結構中。

圖8.碳化硅功率MOSFET的發展。

與硅功率MOSFET的情況一樣，溝槽柵極技術可用于SiC功率MOSFET，以減少由于JFET區域的消除和溝道密度的增加而導致的導通電阻。這種方法的主要挑戰是溝槽底部的柵極氧化物中存在非常高的電場，這可能導致不可靠的操作，甚至導致災難性的故障。解決這個問題的第一個創新設計(圖9左側)利用了溝槽底部的P+屏蔽區，該區與垂直于橫截面的源極電極相連。第二種方法(圖9中間)使用了兩個溝槽區域，一個用于形成柵極結構，另一個更深的溝槽區域用于屏蔽柵極氧化物。第三種方法(圖9右側)使用淺溝槽形成柵極結構，使用兩個深溝槽屏蔽柵極氧化物。在所有三種設計中，當屏蔽柵氧化物時產生JFET區，柵氧化物必須充分摻雜以降低導通電阻而不降低擊穿電壓。在第一種方法中觀察到良好的導通電阻、擊穿電壓和柵極氧化物屏蔽，而在具有較高導通電阻的第三種方法中，觀察到最低的柵極氧化物電場。

如本文開頭所述，在過去60年中，功率半導體界的“圣杯”是創建一個在第一象限和第三象限具有對稱行為的功率開關，具有電流飽和、低導通狀態壓降和快速切換能力的柵極電壓控制輸出特性。電力電子工程師已經使用多個分立器件來組裝這樣的開關，以用于矩陣轉換器。最近通過集成兩個JBSFET(圖10)，實現了一種緊湊的單片4端雙向電源開關，命名為BiDFET。這些設備將使新一代電力電子產品更加緊湊和高效。

圖9溝槽柵碳化硅功率MOSFET的發展。

圖10.單片SiC雙向場效應晶體管(BiDFET)。

使用另一種寬禁帶半導體氮化鎵(GaN)也可以制造出優秀的功率器件。在低成本、大直徑的硅襯底上提升器件質量的GaN外延層是這種方法的獨特屬性。然而，這需要制造具有漏極、柵極和源極電極的交叉數字化的橫向高壓功率器件，這可能由于電流擁擠和寄生金屬電阻而使芯片設計具有挑戰性。在GaN和氮化鋁鎵(AlGaN)之間的界面處形成二維電子氣體(通常稱為2D氣體)形成具有低薄層電阻的層，以降低導通電阻。第一個器件(圖11左側)使用金屬柵極(肖特基勢壘)接觸，在高電子遷移率晶體管(HEMT)器件中產生正常導通行為。由于這在電力電路中是不可接受的，因此該設計與低壓硅MOSFET相結合，形成了BaligaPair或Cascode拓撲。隨后，使用凹陷柵極設計創建了常關GaN HEMT器件(圖11中間和右側)。這些設備的橫向配置允許在同一芯片上制造多個功率晶體管，從而為筆記本電腦和手機充電器等應用構建緊湊的功率集成電路。

圖11.氮化鎵橫向HEMT功率器件。

盡管取得了40年的進步，功率半導體器件的創新仍在不斷提高其性能。它們已成為為消費者提供更高舒適度、移動性和生活質量的關鍵技術。只有利用功率半導體器件才能實現從化石燃料向可再生能源的過渡，以滿足我們的電力需求和電動汽車的運輸需求。

作者簡介

Baliga教授是國際公認的功率半導體器件專家。他是美國國家工程院院士和IEEE終身研究員。他在紐約斯克內克塔迪的通用電氣研究與發展中心工作了15年，并被授予柯立芝院士的最高科學級別。他于1988年加入北卡羅來納州立大學，擔任正教授，并于1997年晉升為“杰出大學教授”;他是1998年“O.Max Gardner獎”的獲得者，該獎項由北卡羅來納大學理事會頒發給16所組成大學中“對人類福祉做出最大貢獻”的一人;以及2011年亞歷山大·夸爾斯·霍拉代卓越獎章，這是NCU董事會授予的最高榮譽。Baliga教授著有/編輯了22本書和700多篇科學文章。他已獲得122項美國專利。《科學美國人》雜志在紀念晶體管發明50周年時將他列為“半導體革命八大領袖”之一。Baliga教授在GE公司發明、開發了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)并將其商業化。他作為IGBT的唯一發明者入選國家發明家名人堂。IGBT廣泛應用于消費、工業、照明、交通、醫療、可再生能源和其他經濟領域。它極大地減少了汽油和電能的使用，為消費者帶來了巨大的成本節約，并減少了全球范圍內的二氧化碳排放。他的一本書中詳細描述了IGBT的應用和社會影響。2011年10月，他在白宮獲得了奧巴馬總統頒發的國家技術與創新獎章，這是美國政府對工程師的最高形式的表彰;2012年10月獲得普渡州長頒發的北卡羅來納州科學獎，2015年獲得全球能源獎。

審核編輯：湯梓紅